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四 川建筑 第 41 卷 1 期 2021 02 张力索桁温室设计与施工 吴 清明 1 丁 明刚 1 杜 娟 2 1 中交通力股份有限公司 四 川成都 610000 2 拉萨市设计院 西藏拉萨 850000 摘 要 张力索形桁架是一种新型建筑结构形式 采用轻型钢管平面框架与张力索形桁架相组合 可 作 成空间张力索桁温室 采用有限元法作实用工程数值模拟建模 可在 PC 微机上计算 拱棚适合作塑膜张 拉使用 三角形桁架适合作玻璃安装 便于作单元预制和安装 索单元计算有弹性延伸变形 采用名义弹性 模量作索单元应力刚化 使模拟简化建模计算简便 张力索桁温室技术先进和简单 形成现代农业生产发展 大车间 关键词 张力索桁温室 索应力刚化 名义弹性模量 中图分类号 TU375 5 文献标志码 B 定 稿日期 2020 09 02 作者简介 吴清明 1940 男 本 科 正高级工程师 享受 国务院政府特殊津贴 已退休 杜娟 1976 女 硕 士 高 级工程师 一级注册建筑师 从事规划与城市设计 建 筑设计 景观园林设计工作 1 张力索形桁架结构 1 1 张 力索形桁架 张力索形桁架是一种新型建筑结构形式 采用轻型钢管 平面框架与张力索形桁架相组合 可作成空间张力索形桁 架 结构整体刚度大 稳定性好 重量很轻 结构简单 施工 简便 经济合理 折线拉索和斜拉索都是高强度索 有轻型 钢管平面框架自重作用 可形成空间稳定索形桁架 1 2 张力索桁温室 1 2 1 拱棚塑膜温室 张力索形桁架与拱棚作组合应用 在张力索形桁架上加 盖拱棚塑膜温室 室内开间很大 多跨连续可实现大面积农 田覆盖 起到保温 防风 雹 雪和保水作用 技术先进 简单 经济实用 适合使用农机耕作 适合用于荒地 沙漠作生态改 造 但是塑膜寿命仅 6 18 个月 成本较高 只适合作简易 拱棚温室 1 2 2 三角形屋面桁架玻璃温室 张力索形桁架与三角形桁架作组合应用 在张力索形桁 架上加设三角形桁架和屋面檁条 安装形成玻璃温室 室内 开间很大 多跨连续可实现大面积农田覆盖 起到保温 防 风 雹 雪和保水作用 采用先进建筑科学技术 技术简单 耐久性好 适合使用农机耕作 改进现代农 牧业种植 养殖 生产环境条件 提高农业生产经济效益 可与太阳能电池板 发电相结合 更为经济合理 玻璃温室经久耐用 其价格虽 高于塑膜 10 倍 但后期节省维护和更换成本 总体经济效益 良好 2 设 计 2 1 有限元模拟计算 张 力索桁拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃温室都是新型 结构 采用索 梁单元组合形成 必须做科学计算 以证明其 科学和正确性 采用有限元法作实用工程数值模拟建模计 算 能够认清其力学原理和内力规侓 西北工业大学王国强 教授著有 实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实 践 1 是对模拟建模计算的引导 2 2 抗 风稳定 张力索桁拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃温室是稳定结 构形式 张力索形桁架是高大的变刚度桁架 结构整体刚度 大 变形小和抗风稳定性好 塑膜适宜作拱棚张拉使用 扁 平的拱棚对风作用的影响小 满足了塑膜张拉和排水需要 很适合作成预制单元 安装和使用更换简便 屋面桁架玻璃 温室高度较小 对风作用的影响小 满足排水需要 也有阵 风压力影响抗风稳定问题 除对平面框架结构作刚度加强 外 主要是模拟积雪和风荷载作活荷载作加载计算 在两侧 加设抗风索保持稳定 跨中顶面加设纵向预拱度排水 2 3 张力索桁温室特点 2 3 1 拱棚塑膜温室 张力索桁拱棚塑膜温室是新型索桁结构 由张力索形桁 架与拱棚塑膜二者相组合 各有其功能和特点 充分发挥各 自的独特作用 使施工简便 维修方便 张力索形桁架是主 要承力结构 索的强度很高 很适合作大跨度和连续多跨使 用 张力空间索桁的技术先进且经济 纵梁形式简 繁均可 采用钢管或轻型 U 形钢结构 U 形梁兼作排水槽 刚度大便 于行人作架设安装 塑膜维护和保温操作 拱棚适合塑膜张 紧成型 采用轻钢或钢管 30 mm 和钢筋 D 6 5 mm 拉杆作 矢高 h 80 cm 自身平衡的弓弦梁骨架 按间距 2 m 分个长 度 4 m 单元制作 简便 便于安装 维修和排水 在拱棚两端 设木条边梁固定弓弦梁 采用多根竹杆支撑作整体稳定 以 便拱棚作单元预制和安装 一般在纵梁钢管下安装聚酯塑 布吊袋槽排水 使排水施工和维修简便 2 3 2 屋面玻璃温室 屋面玻璃温室与拱棚塑膜温室功能相当 耐久性更好 602 工 程 结 构 四 川建筑 第 41 卷 1 期 2021 02 采 用轻钢或角钢 L50 50 4 作三角形桁架和屋面檁条 按 桁架高度 1 m 和间距 2 m 架设 施工架设 安装和维修方便 3 计 算 3 1 方 法 采用有限元实用工程数值模拟建模计算 对钢管纵 横 梁的平面框架结构 可以作简化近似计算 不影响张力索形 桁架的内力 使计算工作简单 计算结果全面 详细 能够全 面反映内力真实情况 3 2 建模 3 2 1 建模原理 有限元程序是先将结构作划分单元离散处理 然后再作 数学计算处理 计算是对结构偏微分方程作积分求解 有限 元法计算原理有 美 J S 矩阵结构分析理论 2 结 构体 系作内 外力平衡计算 按单元刚度作内力分配和传递 矩阵 力学计算方法先进科学 已经获得广泛应用 3 2 2 建模技术 张力索桁折线拉索采用高强度钢绞线 索单元计算有弹 性延伸变形 采用名义弹性模量作索单元应力刚化 使模拟 简化建模计算简便 索应力刚化请详见 实用工程数值模拟 仿真建模计算 内容 3 2 2 1 塑膜温室建模 张力索桁拱棚塑膜温室建模和屋面桁架玻璃温室模型 有索 梁两种单元类型 索 梁单元建模简单 纵 横梁相互间 配合组合亦简单 单元建模有规侓性可循 可利用结构对称 性作简化 使模拟建模简便 3 2 2 2 MIDAS CIVL 程序计算 对迈达斯程序索单元作应力刚化 采用名义弹性模量 E 4 1 95 10 11 7 80 10 11 MPa作 计算 修改索单元弹性 模量赋值方便 输入自己定义名义弹性模量 E 7 80 10 11 MPa 经 验值 采用索应力作安全控制 3 2 2 3 建模经验 迈达斯程序节点和单元建模 移动 复制和修改功能强 简便实用 抛物线索建模 可利用程序基本结构拱建模助 手 将自动形成拱曲线旋转 180 即可 折线拉索可以修改 抛物线索形成 纵 横梁均为钢管相互组合建模 可以作直 接相连接的简化处理 先建立一定长度基本节段 再作节段 复制很简单 斜拉索建模形成方便 4 塑 膜温室特性 4 1 技 术先进性 张力索桁结构是新型的建筑结构形式 充分发挥索的高 强度优势 结构自重轻 整体刚度大和稳定性好 使其具有大 跨度能力 拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃温室结构仅承受 风 雨 雪 雹荷载 结构是自重小的轻型钢管梁骨架 跨度 40 120 m 单跨或连续多跨均可 跨度小的塔柱高度小 以宽 度 10 m 为基本单元较适合 可组合形成任意宽度的矩形大 型塑膜温室和屋面桁架玻璃温室 等于是将地面的温室悬吊 在空中 形成农业温室大车间 4 2 技术应用 张力索桁拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃温室是悬吊结 构 温室复盖面积大 小 应按需要而定 使其经济合理 经济 性受塔柱和锚碇影响大 塔架可以是钢管或钢筋混凝土柱 采用弧形钢板索槽与抹黄油作索鞍 锚碇可采用预应力桩 板组合式结构 充分利用地基抗力作用 跨度小和连续多跨 最为经济 主拉索的垂 跨比选择 可使其内力合理和经济 斜拉索分段长度也应合理 张力索桁屋面桁架玻璃温室是 耐久结构 更适合农业发展需要 5 算 例 5 1 模 型数据 屋盖面积 A 300 300m 2 跨 度 l 60m 长度 L 300m 宽度 任意 B 300m 基本单元宽度 b 10m 对称性计算建模面积 F L 2 B 2 150 150m 2 弦 杆钢管 80 3mm 横梁钢管 50 3mm 塔柱变径钢管 800 6mm 塔柱顶横梁工字钢 500 12mm 索鞍 d 500mm 主拉索 垂 跨 F L 1 20 主拉索 n 7 15 24 钢 绞线 斜拉索 n 15 24 钢绞线 5 2 建模 风 雨 雪 雹 荷载 采用恒载加大系数 1 5 考虑 塑膜温室模型 L 60m 节点 27 554 梁单元 35 200 玻璃温室模型 L 60m 节点 8 078 梁单元 21 712 塔架 变径钢管按板单元建模 5 3 计算 联想 C20 工作站 PC 微机均可 5 3 1 拱棚塑膜温室 计算结果 图 1 图 4 图 1 计 算反力 R x R y R z 图 2 计 算变形 5 3 2 屋 面玻璃温室 计算结果 图 5 图 8 5 4 计算结论 张力索桁拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃温室 按有限元 实用工程数值模拟建模计算获得成功 计算顺利 计算成果 全面 云图显示形象清楚 便于认识结构特性 充分证明张 力索桁拱棚塑膜温室结构简单 先进合理 施工简便 经济合 702 工 程 结 构 四 川建筑 第 41 卷 1 期 2021 02 图 3 计 梁单元内力 F x 图 4 单 元宽度 10m 计算梁单元内力 F x 图 5 计 算反力 R x R y R z 图 6 计 算变形 图 7 计 算内力 F x 图 8 单 元宽度 10m 计算内力 F x 理 张 力索桁塑棚温室采用 10 m 宽度基本单元建模 便于 作任意横向加宽复制 对张力索桁拱棚塑膜温室和屋面桁 架玻璃温室作单元计算 证明结构刚度大和稳定性好 与横 向加宽后的整体计算结果接近 6 施 工 6 1 索 长计算 测定塔柱和锚碇的实际位置坐标和高程 用于建模设计 作修正计算 再量测确定拉索的分段和斜拉索的长度 按各 计算拉力计算弹性延伸长度 用各计算索长扣除其弹性延伸 长度 即得到锚固 索鞍和索夹的位置和下料计算长度 并作 好标志备用 6 2 安装 在地面作简单钢管平面框架钢管框架拼装 作好结构防 护 并在拉索安装好索夹和斜拉索 作好与平面框架钢管的 连接 完成拉索和斜拉索环氧聚合物腻子 3 防 护 6 3 架设 在塔柱设提升吊点 在跨中用吊车作提升平面框架 比设计位置高 1 2 m 对索在鞍位置先作预弯曲成型 将 拉索提升安装就位和作好锚固 再逐渐降落平面框架 完 成拉索的自动张拉 最后作拱棚塑膜温室和屋面桁架玻璃 温室单元预制和安装 再在纵梁钢管下安装聚酯塑布吊袋 槽排水 7 结 语 7 1 张力索桁结构意义 对 悬索吊桥技术的发展研究 引出张力索形桁架 张力 索桁温室 是结构力学技术的应用发展 7 2 索应力刚化 高强度预应力索在有限元程序中应用 采用名义弹性模 量 E 7 80 10 11 经验值作量化处理 避免结构刚度矩 阵和 坐标发生变化 使用简便 合理 7 3 计算 使用有限元实用工程数值模拟建模计算 PC 微机可满 足计算需要 可解决大跨度张力索桁温室的计算 7 4 应用 张力索桁温室结构自重很轻 高强度索起到稳定空间桁 架作用 抗弯刚度大和稳定性好 具有明显经济技术优势 结构技术简单 对现代农 牧业种植 养殖发展用途广泛 塑 膜温室简单和经济 玻璃温室耐久性很好 7 5 发展 温室的发展受造价的影响大 张力索桁温室是将地面拱 棚塑膜温室和桁架玻璃温室提升到空中 形成超大型温室车 间 便于农机使用 更经济合理 张力索桁技术优势明显 对 发展农业生产意义重大 参 考 文 献 1 王国强 实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践 M 西安 西北工业大学出版社 1999 2 普齐米尼斯基 矩阵结构分析理论 M 王德荣 等 译 北京 国防工业出版社 1975 3 塞默德杰夫 金属与金属的胶接 M 陆宏钧 译 北京 国 防工业出版社 1975 802 工 程 结 构
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